超高层建筑钢结构制造和安装技术

上海瑞博置业有限公司 上海 200120

1 工程概况

背景工程位于陆家嘴滨江金融城上海船厂（浦东）区域2E5-1地块，总建筑面积434 106 m2。其中地下部分119 988 m2，地上部分塔楼T1约为156 235 m2，塔楼T2约为113 146 m2，裙楼T3约为44 737 m2。塔楼采用现浇钢筋混凝土框架-核心筒结构，其中塔楼T1为55 层（35 层以下为型钢混凝土柱），塔楼T2为52 层（31 层以下为型钢混凝土柱）。地下共4层，为现浇钢筋混凝土结构，型钢混凝土柱。其中的钢骨柱有十字形柱、T形柱和H型钢柱3 类，材质为Q345GJC以及Q345B。

工程的结构形式为钢骨柱和混凝土梁组成的混合型结构，混凝土梁钢筋通过接驳器和钢柱牛腿与钢柱进行焊接锚固，部分钢筋采用穿越孔与钢柱腹板正交穿越。这种连接形式是该项目的最大特点，图1为用软件模拟后的效果。

图1 钢柱与混凝土梁钢筋BIM节点

本工程存在的难点如下：

（a）本工程钢构形式为无钢梁劲性钢结构，劲性柱与混凝土框架梁的搭接节点工况复杂。梁柱定位精度要求高，钢柱深化设计和工厂加工精度均要满足现场梁钢筋绑扎的施工要求。

（b）型钢柱与梁的节点多且复杂，主要有“梁与型钢柱交接处托班连接”“型钢柱内主筋排布”“型钢柱上悬挑钢筋布置与连接”等。

（c）本工程采用厚板加工型钢柱，最厚的钢板达到80 mm，且厚度超过40 mm的钢板有Z15向性能要求，超过60 mm的钢板有Z25向性能要求。在工厂加工制造和焊接中厚板的加工质量控制也是一大难点。

（d）因大量钢柱采用厚板制作，自重较大。在高层建筑施工过程中，精准的吊装就位无疑也是本工程面临的难点。

2 新技术新工艺介绍[1-5]

基于上述工程难点，逐项分析后，针对本工程梁柱定位要求高和节点复杂的特点，运用了BIM建模技术进行钢构节点的深化设计。针对中厚板的加工要求并结合本工程的特点对本工程的十字柱加工阐述如下。

2.1 BIM建模技术

BIM技术是一种应用于工程设计建造管理的数据化工具，通过参数模型整合各种项目的相关信息，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑运营单位在内的各方建设主体协同工作打好基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。本项目的结构、给排水、电气、暖通、装饰等各个专业均通过BIM模型进行整合，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，用以指导施工、加强管理工作。

BIM技术适用于工程项目的各个阶段，在结构施工阶段，利用BIM模型来绘制深化图纸，指导钢结构柱的生产和加工。深化软件本工程采用了TEKLA的专业绘图软件进行钢柱杆件图的出图工作，首先利用TEKLA软件建立工程BIM模型，并通过公用接口与土建结构模型进行无缝整合，用于确定钢柱与混凝土梁钢筋的相互位置关系，再利用TEKLA软件进行钢柱杆件的深化出图，这样就确保了钢柱牛腿、穿越孔的位置符合要求。

通过BIM技术在结构施工绘图中的应用，可以看出这种出图方式可视性好，可以直接观察到钢柱与混凝土梁的最终位置关系。协调性好，可以协调土建专业和钢结构专业的加工要求，例如采用多粗直径的钢筋，在相应的钢柱穿越位置应开设多大的穿孔。模拟性和优化性强，例如多向混凝土梁与钢柱相交形成复杂节点，通过软件模拟可以确定最终的穿筋方案，并进行优化。在工程施工中，利用BIM模型来绘制深化图准确率高、返修少，极大提高了钢结构的生产效率，节约了管理成本，缩短了施工周期。

2.2 十字钢柱加工制作

十字钢柱作为本项目中主要受力构件，其加工制作的质量好坏直接关系到施工安全和质量。由于十字钢柱板厚大，焊接、加工精度要求高，本工程采取了许多工艺措施来保证钢柱的加工要求。

在加工顺序上，本工程将十字钢柱分为3 个步骤，即H型钢的制作、T型钢的制作及十字柱的组立。H型钢在拼装流水线上进行，为防止在焊接时产生的角变形过大，拼装时可适当用斜撑进行加强处理，斜撑间隔距离视H 型钢翼腹板的厚度进行设置。图5为H型钢的拼焊过程为：零件下料（坡口）→H型钢拼装机自动组立→自动埋弧焊接→火焰（机械）校正→锯头、制孔、锁口→焊接栓钉。

T型钢的组焊、矫正等工序与H型钢制作方法相同。为减少T型钢焊接变形，采用2 个T型钢背靠背固定后再进行焊接。图2为T排的拼焊过程。

十字柱的组立时在其端头腹板上确立装配基准线，然后，以该装配基准线为基准加工穿筋孔（图3、图4）。焊缝采用CO2打底，小车式埋弧焊机盖面的焊接工艺，焊接参数严格按照合格的焊接工艺评定进行。为合理控制焊接过程中产生的变形，焊接顺序按图3、图4所示进行，并在焊接过程中加强检查，以便随时作出相应调整。

图2 T排的拼焊

图3 十字柱焊接顺序

图4 十字柱的组立

为了控制好十字柱长度尺寸和端部加工，本工程在柱翼缘板和腹板放样时，各加放了30 mm加工余量，一端为端面刨铣留出余量，另一端为现场焊接坡口，在十字柱焊接、矫正完成后加工。这样通过端面加工，确保了十字柱的长度公差。另外，柱端面通过刨铣加工，便于安装控制和焊缝质量，为吊装精度的控制提供了良好的保证。

2.3 中厚板焊接工艺

本项目钢柱的翼缘板和腹板厚度都特别厚，主要焊缝均要求熔透焊接，坡口角度大、钝边小、熔敷金属量大，容易造成焊接变形大、焊接裂纹和焊接残余应力情况。这些焊接缺陷会严重影响钢柱的制作质量，甚至造成报废。因此必须从生产工艺上加以避免，确保钢柱质量。

在焊接方法和焊接参数上，本工程依据国家钢结构焊接规范，根据本项目焊接需求，列出了所需的全部焊接工况，并进行了焊接工艺评定。本项目主要采用了CO2气保焊和埋弧自动焊2 种高效焊接方法，确保满足项目施工焊接的需要。

为防止焊接裂纹的产生，根据工艺评定，确定了准确的预热温度、层间温度、焊后保温及时间这3 个防止裂纹产生的关键因素。

在焊接工艺上本工程采用了多层多道接头错位焊接工艺，在钢板的焊接中，多层焊的焊缝质量比单层焊好，多层多道焊的焊缝质量比多层焊好，特别是板厚超过25 mm时效果最明显，因此，在厚板焊接时，首选多层多道焊技术来确保焊接质量。

控制接头的拘束应力是防止裂纹产生的主要因素，因此采用了各种措施，消除或缓解焊接应力。例如采用合适的焊接坡口，构件安装时不得强行装配，采用合理的焊接顺序，对称焊、分段焊以降低整体焊缝的应力，先焊收缩量大的接头，后焊收缩量小的接头，应在尽可能小的拘束下焊接等等方式。

通过采取上述的焊接工艺，厚板构件的焊接质量得到了良好的控制，经超声波检测一次合格率达到98%，构件一次交验合格率达到96%，取得了良好的效果。

2.4 高层安装技术

高层钢结构的吊装，采用塔吊是最为理想的安装工具。随着塔吊的不断提升，钢结构可以像搭积木一样，快速向上拓展，从而形成钢结构建筑。本项目有T1、T2两栋塔楼，利用每栋塔楼的动臂式塔吊来完成吊装任务。

项目安装的关键点首先在于确定合理的钢柱长度，既要满足塔吊的吊重能力，又要考虑分节位置便于焊接施工。考虑总体吊装思路，钢柱的质量要充分利用塔吊的吊重能力，并且将分节位置确定在每层楼面以上1 m，这样便于焊接和检验。通过查阅塔吊的参数表，进行工况分析，确定了塔吊半径和起重质量，计算了钢柱的质量和吊索具质量，最终制定了钢柱的分节表。

项目安装的第二关键是钢柱吊装和混凝土梁施工的交叉作业顺序（图5）。由于本项目钢柱和混凝土梁结构是交织在一起的，因此先后的施工顺序就尤其重要。如果只考虑一方的施工，另一方就无法施工或无法提供施工平台，势必造成工期延误。因此，在交叉作业上必须做好充足的方案准备。对此，本工程提出了分阶段施工法，通过该方法的实施，满足了安装需要，确保了整个工程进度。

图5 钢柱吊装和混凝土梁施工的交叉作业顺序

阶段一为钢柱吊装阶段，本阶段施工在前一节钢柱所在各楼层混凝土完成模板及钢筋施工后，开始吊装。钢柱吊装并焊接完成后交由土建进行混凝土楼层施工，直至后一节钢柱所在混凝土各楼层基本完成施工，最后一层完成模板及钢筋施工，再重复阶段一施工。

3 结语

本文介绍了通过建筑施工模型技术（BIM）的应用和厚板加工新工艺的运用为陆家嘴滨江金融城2E5-1地块超高层双塔楼钢结构的制作和安装解决了施工过程中所遇到的一些难题，为将来类似工程的施工提供借鉴。